柔性导电离子凝胶及其电极、TENG、制备方法和应用技术

本发明专利技术属于离子凝胶材料和纳米摩擦发电技术领域，涉及柔性导电离子凝胶及其电极、TENG、制备方法和应用。针对现有技术中离子凝胶导电性能不佳，拉伸性能不好的技术问题，本申请提供一种柔性导电离子凝胶，成分包含高分子有机聚合物、交联剂和MXene，高分子有机聚合物为聚乙烯醇等，交联剂为四硼酸钠等，用于电极制备时，能提高界面电子云密度，协效MXene进行内静电循环，增加凝胶韧性，具有稳定电能输出的优点。本申请还提供了一种TENG，导电性能优异，拉伸性能佳，可模块化串联，提高输出电压，通过阵列组装在各类基材表面时，可通过按压、踩踏、卷曲等的接触产生静电输出，使得实现用电器件的能源自供给成为可能。用电器件的能源自供给成为可能。用电器件的能源自供给成为可能。

【技术实现步骤摘要】
柔性导电离子凝胶及其电极、TENG、制备方法和应用


[0001]本专利技术属于离子凝胶材料和纳米摩擦发电
，具体地，涉及柔性导电离子凝胶及其电极、TENG、制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着微纳科技的迅猛发展，人们致力于将科技融入生活，使得可穿戴电子设备在医疗健康和社交娱乐领域引起广泛关注，但能源的供给问题却是其普及的重要技术壁垒。基于电化学，离子电池的电能输出依然是基于氧化还原反应的电子转移，其电池内部的循环稳定性受制于电解质和锂晶枝的“生长”，具有诸多不确定性因素和安全隐患。此外，电池废弃物也极易造成环境污染。
[0003]为解决微纳科技的能源供给问题，获得清洁、稳定、无安全和环境隐患的持续电能输出，基于静电摩擦原理的纳米摩擦发电机(Triboelectric nanogenerator，TENG)应运而生，并逐渐成为研究热点。王中林院士于2012年提出TENG的概念：可持续且充分地从分散、微弱的环境中获取能源，其能通过接触摩擦产生静电感应，将机械能转化成电能。人体的机械运动几乎占据了生产生活的全部，若是通过静电效应将其收集再利用，即实现了能源的循环，又避免了环境的污染。为契合可穿戴电子设备的“柔性”需求，TENG的构建需选择具有可拉伸特性的摩擦电层和电极电层。虽然柔性摩擦电层的候选材料广泛，但受制于导电材料的(配位)多面体晶体构型，例如Fe、Al、Si、Na等离子晶体常表现为刚性，因此具有良好拉伸、扭曲、弯曲特性的柔性电极电层却选择有限。传统柔性电极材料，如纳米银线、碳纳米管、石墨烯等由于超高的成本和复杂的制备工艺，几乎无法实现大规模生产。因此，迫切需要探索和开发高柔性的经济型电极材料，以实现可穿戴电子设备的持续能源供给。
[0004]离子凝胶是指由离子溶液引发聚合物基体聚集，从而形成在空间网状结构内充满阴阳离子分散介质的一类凝胶。作为一种新兴的柔性电极材料，离子凝胶具备优异的可控形变和粘附性，被广泛应用于各类柔性传感器。虽然离子凝胶具备一定导电能力，但与多晶导体相比其电阻仍处于较高水准，这会导致凝胶内部能耗增加，使其在TENG领域的应用受到极大地限制。如中国专利技术专利申请公布号CN114539574A，申请日为2022年02月28日，名称为：压电
‑
摩擦电耦合感应材料的制备方法和应用，公开方法将羟丙基纤维素、壳聚糖、碳纳米管溶于酸性溶液中，制得羟丙基纤维素/壳聚糖/碳纳米管溶液；再将羟丙基纤维素/壳聚糖/碳纳米管溶液流延在聚四氟乙烯底衬上干燥，得到压电
‑□
摩擦电耦合感应材料。该方案先制备水凝胶，再制备气凝胶，拉伸性能不佳，且其公开的电压数据也有待改进。相比之下，二维过渡金属碳化材料MXene具有独特的金属导电性、亲水性、易加工性，高的比表面积和优异的机械强度，在离子凝胶中加入MXene不仅可以促进凝胶的导电特性，提高整体生物相容性，还可以进一步交联凝胶网络，促进机械韧性。如何利用MXene构建离子凝胶，提高凝胶电极的介电能力，促进电能输出，实现用电器件的能源自供给亟待研究。

技术实现思路

[0005]1.专利技术要解决的技术问题
[0006]针对现有技术中离子凝胶导电性能不佳，拉伸性能不好的技术问题，本申请提供一种柔性导电离子凝胶，用于电极制备时，能提高界面电子云密度，协效MXene进行内静电循环，增加凝胶韧性，具有稳定电能输出的优点。本申请还提供了一种TENG，导电性能优异，拉伸性能佳，可模块化串联，提高输出电压，通过阵列组装在各类基材表面时，可通过按压、踩踏、卷曲等的接触产生静电输出，使得实现用电器件的能源自供给成为可能。
[0007]2.技术方案
[0008]为达到上述目的，提供的技术方案为：
[0009]本专利技术的一种柔性导电离子凝胶，所述离子凝胶的成分包含高分子有机聚合物、交联剂和MXene；
[0010]所述高分子有机聚合物为聚乙烯醇、聚丙烯酸、透明质酸或海藻酸中的一种或几种；
[0011]所述交联剂为四硼酸钠、十二水合硫酸亚铁或丙烯酰胺中的一种或几种。
[0012]优选的，所述MXene的制备方法如下：
[0013](1)在10mL去离子水中加入30mL浓盐酸(12M)和2g LiF粉末，充分搅拌直至完全溶解后加入2g Ti3AlC2粉末于35℃搅拌反应24h；
[0014](2)使用去离子水稀释(1)中悬浮液至500mL后分批次在3500rmp的转速下离心5min，收集沉淀并反复稀释—离心，直至稀释后的悬浮液为中性(pH值为7)；
[0015](3)将(2)中的中性悬浮液冰浴超声20min，温度不得大于35℃；
[0016](4)将(3)中超声后的悬浮液再次在3500rmp转速下离心20min，获得的上清液即为MXene纳米薄片，之后可采用冷冻干燥获得MXene固体粉末。
[0017]柔性纳米摩擦发电机要求电极电层为柔性材料。通过交联剂和MXene同步交联高分子有机聚合物形成具有高可塑性的柔性离子凝胶。其中MXene作为导电填料，其表面具有丰富的活性官能团(
‑
OH、
‑
F、
‑
O等)能够产生负电性的亲水表面，从而促进“黏土—聚合物”网络的形成，该网络能够显著增强高分子有机聚合物凝胶的韧性，同时MXene也能促进电荷的转移，赋予离子凝胶优异的导电性能。
[0018]进一步地，所述高分子有机聚合物为聚乙烯醇，所述交联剂为四硼酸钠；
[0019]所述聚乙烯醇和四硼酸钠的体积比为1:1；
[0020]所述MXene占所述离子凝胶的质量分数为X，0＜X≤8％。
[0021]进一步地，还包含壳聚糖；所述壳聚糖占所述离子凝胶的质量分数为Y，0＜Y≤4％。
[0022]通过Na2B4O7和MXene同步交联PVA形成具有高可塑性的柔性离子凝胶。基于压电材料的界面(介电)极化理论，限制极化基团的定向空间重排(减少极化基团的迁移率)有利于获得更为显著的电子云密度差异(增大介电常数)，从而提升材料得/失电子能力(增强静电感应)，但材料的界面极化一般仅发生在具有高电子云密度差异的结晶区和非晶区。因此，在Na2B4O7和MXene同步交联PVA的基础上引入CS，利用CS的结晶构造进一步分离PVA结晶区和无定形区的边界，通过增加结晶区和非晶区的边界获得更大的介电常数，以实现提高电能输出的目的。
[0023]一种所述柔性导电离子凝胶的应用，将所述柔性导电离子凝胶应用于电极材料的制备中。
[0024]一种电极，包含所述的柔性导电离子凝胶。
[0025]一种TENG，包括摩擦电层和电极电层，还包括Ecoflex层，所述电极电层被Ecoflex层包裹，所述电极电层为Ecoflex层的夹层；
[0026]所述Ecoflex层和所述摩擦电层相连；
[0027]所述电极电层为所述的柔性导电离子凝胶。
[0028]优选的，所述摩擦电层为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性导电离子凝胶，其特征在于：所述离子凝胶的成分包含高分子有机聚合物、交联剂和MXene；所述高分子有机聚合物为聚乙烯醇、聚丙烯酸、透明质酸或海藻酸中的一种或几种；所述交联剂为四硼酸钠、十二水合硫酸亚铁或丙烯酰胺中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的一种柔性导电离子凝胶，其特征在于：所述高分子有机聚合物为聚乙烯醇，所述交联剂为四硼酸钠；所述聚乙烯醇和四硼酸钠的体积比为1:1；所述MXene占所述离子凝胶的质量分数为X，0＜X≤8％。3.根据权利要求2所述的一种柔性导电离子凝胶，其特征在于：还包含壳聚糖；所述壳聚糖占所述离子凝胶的质量分数为Y，0＜Y≤4％。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述柔性导电离子凝胶的应用，其特征在于：将所述柔性导电离子凝胶应用于电极材料的制备中。5.一种电极，其特征在于：包含权利要求1
‑
3任一项所述的柔性导电离子凝胶。6.一种TENG，包括摩擦电层和电极电层，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：周威明，王帅旗，张宇婷，费天扬，吕诗青，李小茹，潘明珠，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：